DE29722905U1

DE29722905U1 - Lampen-Steuerschaltung

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Publication number: DE29722905U1
Application number: DE29722905U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Zumtobel Lighting GmbH Austria
Priority date: 1997-12-29
Filing date: 1997-12-29
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2007-12-30

Description

Gerhard Wittmann 1 WS0308

29, Dezember 1997 Rr/ks

Lampen-Steuerschaltung

Die Erfindung betrifft eine Lampen-Steuerschaltung insbesondere für Niedervolt-Lampen wie etwa Halogenlampen.

Beim Einschalten der Lampen treten häufig kurzzeitig starke Stromimpulse auf, die oftmals die Stromkreissicherungen auslösen. Weiterhin kann die Lebensdauer der Lampen durch zu hohe Betriebsspannung erheblich verkürzt werden. Diese zu hohen Betriebsspannungen können durch zu hohe Netzspannung oder durch zu geringe Belastung des Transformators bedingt sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lampen-Steuerschaltung zur Lösung der vorstehend genannten Probleme zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Lampen-Steuerschaltung wird der Stromanstieg in der Einschaltphase rampenförmig begrenzt, so daß ein sanfter Hochlauf erzielt wird. Hierdurch wird das unerwünschte Auslösen von Sicherungen auch bei Vollauslastung der Sicherungen bis zum Nenn-Betriebsstrom verhindert.

Vorzugsweise ist die Strombegrenzungsschaltung nur kurzzeitig nach dem Einschalten, beispielsweise 1 bis 5 Sekunden nach dem Einschalten, wirksam. Der von der Strombegrenzungsschaltung vorgegebene Strombegrenzungswert läuft innerhalb dieses Anfangszeitintervalls rampenförmig, zum Beispiel linear, stufenförmig oder exponentiell, hoch und gelangt dann auf einen Maximalwert. Der Maximalwert kann so gewählt sein, daß er fest

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vorgegeben ist und keinerlei Auswirkungen auf den Stromfluß zur Lampe ausübt. Der Maximalwert kann aber auch einstellbar sein, um eine gewisse Dimmfunktion erreichen zu können. Durch diese Einstellbarkeit des Maximalwerts kann zugleich der Vorteil erreicht werden, daß auch veränderten Netzspannungssollwerten Rechnung getragen werden kann. Bei einer Erhöhung der Netzspannung (von beispielsweise 220 V auf 230 V, wie bereits erfolgt, oder auf einen noch höheren Wert, wie eventuell geplant), würden die für den bislang niedrigeren Netzspannungswert ausgelegten Lampen mit Überspannung betrieben werden, was zu einer deutlichen Verkürzung der Lebensdauer führen könnte.

Die erfindungsgemäß vorsehbare Dimmfunktion erlaubt es, einer Erhöhung der Netzspannung durch entsprechende Einstellung der dauerhaft wirksamen Dimmung zu begegnen, so daß die Lampen nicht mit Überspannung betrieben werden und demzufolge sich ihre Lebensdauer nicht verkürzt.

Vorzugsweise weist die Strombegrenzungsschaltung (anstelle einer verlustbehafteten Vollweggleichrichter-Brückenschaltung mit im Gleichstromzweig angeordnetem Einzel-Feldeffekttransistor) eine verlustarme Reihenschaltung aus zwei gegensinnig geschalteten Feldeffekttransistoren auf, die abwechselnd die Steuerfunktion bei den abwechselnden Halbwellen der Eingangsspannung übernehmen. Hierdurch läßt sich eine sehr verlustarme, zuverlässige Steuerung mit geringer Anzahl von Bauelementen erzielen.

Die Feldeffekttransistoren werden vorzugsweise über eine Pulsweitenmodulationsschaltung gesteuert, insbesondere in Form eines Phasenabschnittdimmers, der den Stromfluß durch die Schaltungselementanordnung jeweils definiert bereits vor Erreichen des Netzspannungsnulldurchgangs abschaltet. Der Abschaltphasenwinkel wird hierbei in Abhängigkeit von an die Pulsweitenmodulationsschaltung angelegten Eingangssignalen, beispielsweise dem Ausgangssignal der Strombegrenzungsschaltung, dem einstellbaren Maximalwert oder dergleichen festgelegt. Die Durchschaltung der Feldeffekttransistoren erfolgt beim Spannungsnulldurchgang, so daß Einschaltstromspitzen, wie sie bei Phasenanschnittdimmern, insbesondere in Verbindung mit Transformatoren, auftreten könnten, vermieden werden.

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Die Lampen-Steuerschaltung ist ausgangsseitig vorzugsweise mit einem Spannungswandler, insbesondere einem Transformator, verbunden, der die Netzspannung von beispielsweise 230 V auf den gewünschten Niederspannungswert von zum Beispiel 12 V umsetzt.

Vorzugsweise ist die Sekundärseite des Spannungswandlers zur Lampen-Steuerschaltung rückgekoppelt, so daß eine Spannungsregelung auf den gewünschten, vorzugsweise einstellbaren Spannungsvorgabewert erzielbar ist. Durch diese Regelung kann die Spannung, die an die an die Transformator-Sekundärseite angeschlossene(n) Lampe(n) angelegt wird, selbsttätig auf dem gewünschten Spannungswert von beispielsweise 12 V auch dann gehalten werden, wenn die Netzspannung schwankt oder auch planmäßig auf einen höheren Sollwert festgelegt wird. In diesem Fall ist kein manueller Eingriff zur Verstellung des von einer Maximalwert-Vorgabeschaltung vorgegebenen Sollspannungswerts notwendig. Hierdurch wird zugleich auch die Lampenhelligkeit unabhängig von jeweiligen eingangsseitigen Spannungsschwankungen oder Spannungsänderungen auf einem konstanten Wert gehalten, so daß nicht nur die Lampenlebensdauer optimiert ist, sondern auch stets die gewünschte Helligkeitsabgabe sichergestellt wird.

Durch galvanische Trennung zwischen der Transformator-Sekundärseite und den Steuerungskomponenten der Lampen-Steuerschaltung läßt sich zugleich gewährleisten, daß keinerlei unerwünschte potentialmäßige Rückwirkungen der Transformator-Sekundärseite auf die Lampen-Steuerschaltung auftreten können.

Vorzugsweise sind die Feldeffekttransistoren gegen Gate-Überspannungen oder Überlastung gesichert, so daß keine Gefahr unerwünschten Steuerungsverhaltens oder gar einer Zerstörung der Feldeffekttransistoren besteht.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Lampen-Steuerschaltung mit einem Rechtecksignalwandler versehen, dem die eingangsseitige Netzsinusspannung zugeführt wird und der ausgangsseitig eine Rechteckspannung an die Pulsweitenmodulationsschaltung anlegt, so daß diese synchron mit den Netzspannungsnulldurchgängen arbeiten und hierbei beispiels-

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weise den Stromfluß durch die Feldeffekttransistoren Nulldurchgangs-synchronisiert werden kann.

Die erfmdungsgemäße Lampen-Steuerschaltung ist als kompakte elektronische Schaltung aufbaubar und kann daher beispielsweise als kleines Vorschaltgerät in Form eines Zweipols vor den Netztransformator geschaltet werden. Wenn die Lampen-Steuerschaltung eine Rückkopplung von der Netztransformator-Sekundärseite enthält, können die Lampen-Steuerschaltung und der Transformator auch als kombinierte, in einem Gehäuse angeordnete Lampen-Steuerschaltung zusammengefaßt sein.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführangsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur näher erläutert.

In der Figur ist mit "L" ein Netzspannungsanschluß für eine Netzphase bezeichnet, während mit "N" der Nulleiteranschluß bezeichnet ist. Zwischen den Anschlüssen L und N liegt die Netzphasenspannung von zum Beispiel 230 V an.

Mit dem Netzspannungsanschluß L ist ein Netzteil 1 verbunden, das aus der Netzspannung eine Gleichspannung von beispielsweise +12 V erzeugt, die an die weiteren, in der Figur gezeigten Schaltungen als Betriebsspannung anlegbar ist. Die Spannung von 12 V ist hierbei auf die Schaltungsmasse der Lampen-Steuerschaltung bezogen.

Mit dem Netzspannungsanschluß L ist weiterhin ein Rechtecksignalgenerator 2 verbunden, der aus der Netzsinusspannung eine Rechteckspannung generiert, deren Flanken mit den Nulldurchgängen der Sinusspannung zusammenfallen. Alternativ ist es auch möglich, den Rechteckspannungsgenerator mit einem zweiten Eingangsanschluß zu versehen, der mit einem Anschluß 12 verbunden ist. Am Rechtecksignalgenerator liegt dann eingangsseitig die Spannung zwischen dem Eingangsanschluß L und dem Anschluß 12 an, so daß der Rechtecksignalgenerator die jeweiligen Flanken des Rechtecksignals dann erzeugt, wenn die Emgangsspannungsdifferenz gleich Null ist, das heißt die Spannung über den zwischen

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die Anschlüsse L und 12 geschalteten Komponenten gleich Null ist. Hierdurch kann erreicht werden, daß eine Einschaltung dieser Schaltkomponenten mit den Zeitpunkten der Nulldurchgänge des Spannungsabfalls an diesen Komponenten synchronisiert wird.

Das Ausgangssignal des Rechtecksignalgenerators 2 wird an einen Steuereingang einer synchronisierten Pulsweitenmodulationsschaltung 3 angelegt, die an ihrem Ausgangsanschluß 3' ein pulsweitenmoduliertes Impulssignal erzeugt, das über jeweilige Schutzschaltungen 4, 4' an die Gates von Leisrungs-Feldeffekttransistoren 8, 8' angelegt wird. Die Feldeffekttransistoren 8, 8' sind gegensinnig in Reihe zwischen die Anschlüsse L und 12 geschaltet, wobei zwischen den Feldeffekttransistor 8, 8' Serienwiderstände 10, 10' eingefügt sein können, deren Verbindungspunkt mit Schaltungsmasse verbunden ist. Die an der Reihenschaltung der beiden Widerstände 10, 10' abfallende Spannung wird durch eine Schutzschaltung 5 erfaßt, die einen Schutz gegen Überlast- und Kurzschlußströme darstellt und deren Ausgang mit einem Steuereingang der Pulsweitenmodulationsschaltung 3 verbunden ist. Wenn die an der Widerstands-Reihenschaltung 10, 10' abfallende Spannung einen gewissen zulässigen Maximalwert erreicht, spricht die Schutzschaltung 5 an und veranlaßt die Pulsweitenmodulationsschaltung 3, die Impulsbreite der an die Gates der Feldeffekttransistoren 8, 8' angelegten Treiberimpulse zu verringern oder vollständig auf Null zu bringen, so daß der maximale, durch die Feldeffekttransistoren 8, 8' fließende Strom, und damit auch der in die ausgangsseitig angeschlossene Lampe einzuspeisende Strom, auf ungefährliche Werte begrenzt wird.

Parallel zu den Feldeffektransistoren 8, 8' liegen die herstellungstechnologisch bedingten, integrierten Reversedioden 9 bzw. 9', die den zugeordneten Feldeffekttransistor jeweils während einer Spannungshalbwelle überbrücken. Während dieser Spannungshalbwelle wird die Stromsteuerung durch den jeweils anderen Feldeffekttransistor übernommen. Dies ermöglicht es, den Stromfluß in beiden Spannungshalbwellen gezielt über die Feldeffekttransistoren zu steuern.

Die Schutzschaltungen 4, 4' erfassen die Spannungen zwischen den Gates der jeweiligen

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Feldeffekttransistoren 8 bzw. 8' und den zugehörigen Source- oder Drainanschlüssen und begrenzen den maximalen Spannungswert auf ungefährliche Werte, beispielsweise mit Hilfe von Zenerdioden.

Mit den Anschlüssen 12 und N ist die Primärwicklung eines Spannungswandlers in Form eines Transformators 13 verbunden, an dessen Sekundärseite eine oder mehrere Lampen 11 angeschlossen sind. Der Spannungswandler kann auch in anderer Weise, beispielsweise als Schaltwandler, ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Lampen-Steuerschaltung enthält einen Sollwertgenerator 7, der einen rampenförmig ansteigenden Sollwert (zum Beispiel in Form einer Spannung) erzeugt. Der Sollwertgenerator 7 wird beim Einschalten der Leuchten, das heißt beim Anlegen der Netzspannung an den Anschluß L, getriggert, beispielsweise durch das Ansteigen der Spannungsversorgung auf +12 V, die vom Netzteil 1 abgegeben und an den Sollwertgenerator 7 als Versorgungsgleichspannung angelegt wird. Der vom Sollwertgenerator 7 erzeugte Sollwert steigt von einem Minimalwert, vorzugsweise Null, linear, treppenförmig oder in sonstiger Weise, beispielsweise exponentiell, bis zu einem Maximalwert an. Dieser Sollwert wird an einen Steuereingang der Pulsweitenmodulationsschaltung 3 angelegt, die die Breite der Gate-Treiberimpulse (am Ausgang 3') in Abhängigkeit von dem jeweiligen Sollwert festlegt. Damit werden die Feldeffekttransistoren während der Einschaltphase anfänglich nur sehr kurzzeitig während jeder Phase eingeschaltet, so daß das Auftreten von Stromspitzen unterdrückt wird. Hierdurch wird der durchschnittliche Strom so begrenzt, daß er in dieser Anstiegsphase nur langsam rampenförmig anwächst, so daß sich ein sanfter Anlauf entsprechend der durch den Sollwertgenerator 7 vorgegebenen Rampe ergibt. Die Anlaufphase kann auf wenige Sekunden, beispielsweise auf weniger als 10 Sekunden oder bis zu 1 bis 5 Sekunden, insbesondere etwa 3 Sekunden, begrenzt werden. Der Sollwert (Stellwert) und der Istwert erreichen hierbei innerhalb dieser Zeitspanne ihren Maximalwert.

Der maximale Sollwert kann entweder fest vorgegeben sein und beispielsweise bei der

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Versorgungsgleichspannung von 12 V liegen, oder kann auch einstellbar sein, beispielsweise durch entsprechende manuelle oder automatische Betätigung von Einstellorganen des Sollwertgenerators 7. Bei der in der Figur gezeigten Schaltung ist zur maximalen Sollwertbegrenzung ein Begrenzer 6 vorgesehen, der den maximal an die Pulsweitenmodulationsschaltung 3 anlegbaren Sollwert begrenzt, beispielsweise derart, daß auf der Transformator-Sekundärseite 11,5 V Lampenbetriebsspannung auftreten. Vorzugsweise ist der Begrenzer 6 manuell oder in sonstiger Weise derart einstellbar, daß sein Begrenzungswert variabel ist. Wenn die Netzsollspannung geändert wird, kann der Begrenzer 6 kompensierend so verstellt werden, daß am Ausgang des Transformators 13 weiterhin die Lampen-Nennspannung von beispielsweise 12 V abgegeben wird. Es ist somit nicht notwendig, den Transformator 13 auszutauschen oder sonstige, größere Eingriffe vorzunehmen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rampen-Steuerschaltung kann der vom Begrenzer 6 vorgegebene Begrenzungswert auch automatisch in Abhängigkeit von der an der Sekundärwicklung des Transformators 13 auftretenden, an die Lampe 11 angelegten Spannung geregelt werden. Hierdurch wird automatisch erzwungen, daß die Lampe 11 stets nur mit ihrer Nennspannung gespeist wird. Sollte die Spannung an der Sekundärseite nämlich dazu tendieren, anzuwachsen, würden der Strom und die Spannung an der Primärseite automatisch heruntergeregelt. Sollte die sekundärseitige Spannung abzusinken drohen, tritt der umgekehrte Effekt ein. In der Anfangsphase mit sanftem Anlauf wird der Sollwert durch die im Sollwertgenerator 7 parametrisierte Rampe bis zu dem durch den Begrenzer 6 vorgegebenen Grenzwert hochgefahren.

Vorzugsweise wird die Transformator-Ausgangsspannung an den Begrenzer 6 angelegt.

Der Begrenzer 6 legt den Begrenzungswert in Abhängigkeit von dem jeweiligen Sekundärwicklungs-Ausgangsspannungspegel in umgekehrter Relation fest, so daß der Begrenzungswert bei ansteigender Spannung etwas verringert und bei absinkender Spannung etwas erhöht wird. Da außerhalb der Anfangsphase der Begrenzungswert zugleich den Sollwert für die Pulsweitenmodulationsschaltung 3 darstellt, wird diese entsprechend gesteuert.

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Die Ausgänge der Schaltungen 6 und 7 können entweder direkt miteinander verbunden sein oder auch über eine Minimalwert-Schaltung gekoppelt sein, die das kleinere der beiden Signale auswählt und an den Steuereingang der Pulsweitenmodulationsschaltung 3 anlegt.

Zur Erzielung einer galvanischen und potentialmäßigen Entkopplung zwischen der Ausgangsseite des Transformators 13 und damit zwischen dem Lampenstromkreis, einerseits, und der Lampen-Steuerschaltung andererseits ist vorzugsweise eine galvanisch getrennte Spannungsrückführung vorgesehen, in der beispielsweise ein Optokoppler 14 oder eine sonstige, eine galvanische Trennung erlaubende Kopplungsschaltung eingefügt ist.

Die erfindungsgemäße Lampen-Steuerschaltung kann insbesondere dann, wenn keine Rückführung der Transformator-Ausgangsspannung vorgesehen ist, als kompakte elektronische Schaltung direkt in die Phase, das heißt zwischen den Phasenanschluß L und den Transformatoranschluß 12, eingefügt werden, da sie keinen eigenen Nulleiteranschluß benötigt. Die Lampen-Steuerschaltung kann somit wie ein Zweipol verwendet werden, was den Verdrahtungsaufwand deutlich verringert.

Claims

Gerhard Wittmann 9 WS0308 Ansprüche

1. Lampen-Steuerschaltung mit einer Strombegrenzungsschaltung (6 bis 10), die eine zwischen einen Netzspannungseingangsanschluß (L) und einen Spannungsausgangsanschluß (12) geschaltete Schaltungselementanordnung (8, 8', 9, 9', 10, 10') enthält und den Strom- und/oder Spannungsanstieg beim Einschalten der Lampe rampenförmig begrenzt.

2. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung nur während eines Anfangszeitintervalls ab der Lampeneinschaltung wirksam ist.

3. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Anfangszeitintervalls 1 bis 5 Sekunden, vorzugsweise ungefähr 3 Sekunden, beträgt.

4. Lampen-Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungselementanordnung (2) zwei in Reihe geschaltete Feldeffekttransistoren (8, 8') enthält, die bei unterschiedlicher Polarität des Eingangssignals leiten.

5. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom bei dem gerade nicht leitenden Feldeffekttransistor über dessen parallele Reversediode (9, 9') fließt.

6. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Pulsweitenmodulationsschaltung (3) zur Steuerung der Feldeffekttransistoren (8, 8').

7. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die

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Pulsweitenmodulationsschaltung (3) die Impulsbreite der an die Feldeffekttransistoren (8, 8') angelegten Gate-Impulse in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Strombegrenzungsschaltung (6 bis 10) festlegt.

8. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung eine mit der Pulsweitenmodulationsschaltung (3) verbundene Maximalwert-Vorgabeschaltung (6) zur Einstellung des maximalen Ausgangsstrom- und/oder Ausgangsspannungswerts der Lampen-Steuerschaltung enthält.

9. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Ausgangsstrom- und/oder Ausgangsspannungswert variabel einstellbar ist.

10. Lampen-Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ausgangsseitigen Spannungswandler, insbesondere Transformator (13), dessen Sekundärseite mit einer oder mehreren Lampen (11) verbunden ist.

11. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite des Spannungswandlers (13) zur Strombegrenzungsschaltung (6 bis 10), insbesondere zur Maximalwert-Vorgabeschaltung (6), rückgekoppelt ist.

12. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximalwert-Vorgabeschaltung (6) den an die Pulsweitenmodulationsschaltung (3) als Sollwert angelegten Maximalwert in Abhängigkeit von der an der Sekundärseite auftretenden Spannung variiert.

13. Lampen-Steuerschaltung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückkopplungsschleife ein galvanisches Trennglied (14) vorgesehen ist.

14. Lampen-Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, gekenn-

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zeichnet durch eine mit dem Gate der Feldeffekttransistoren (8, 8') verbundene Schutzschaltung (4, 4') gegen Gate-Überspannungen.

15. Lampen-Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Überlastschutzschaltung (5), die den durch die Schaltungselementanordnung (8, 8', 9, 9', 10, 10') fließenden Strom erfaßt und die Pulsweitenmodulationsschaltung (3) zur Strombegrenzung bei Überstrom veranlaßt.

16. Lampen-Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem Netzspannungseingangsanschluß (L) verbundenen Sinus/Rechtecksignal-Wandler (2), der mit einem Steuereingang der Pulsweitenmodulationsschaltung (3) zur netzsynchronisierten Erzeugung der Feldeffekttransistor-Steuerimpulse verbunden ist.